Wickert sieht im Pressenbau momentan vier Trends. Dazu gehören der vermehrte Einsatz produktivitätssteigernder Automationslösungen und zusätzlicher Injektionseinheiten für eine flexible, breit angelegte Fertigung. Darüber hinaus rechnet der Maschinenbauer damit, dass in Zukunft verstärkt Thermoplaste verarbeitet werden, und sieht ein Potenzial beim Einsatz von Naturfasern und Naturharzen.

Composite-Presse für die Forschung: Wickert entwickelte für Wissenschaftler an der TU Chemnitz eine hochflexible Viersäulen-Oberkolbenpresse, die umfassende Freiheiten und vielfältige Einsatzmöglichkeiten bietet

Die Nachfrage nach Composites wird auch in Zukunft steigen

Composite-Halbzeuge

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Pressen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Duroplaste

Kunststoff Werkstoffe

Automatisierungstechnik

Hochleistungskunststoffe

Thermoplaste

Naturmaterialien

Verstärkungsstoffe

Trends in der Composite-Fertigung

Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Für die Herstellung der Versuchsbauteile kam eine von Engel entwickelte SMC-Fertigungszelle mit einer Maschine des Typs Engel v-duo 700 und einem Knickarmroboter easix KR35 zum Einsatz

16:9

Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Kohlenstofffasern / -matten

Anlagen zur Composite-Herstellung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzprägen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Bruchmechanische Prüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Pressen von Kunststoffen

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Das Arevo-„ebike“ hat einen 3D-gedruckten CFK-Monocoque-Rahmen, in den u. a. der Drivematic-Getriebeaktuator von Oechsler integriert werden kann

20:7

Faserverbundkunststoffe (FVK)

Glasfasern / -matten

Reaktionsharze

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Aramidfasern

Phenolharze

Harze, Epoxid

Duroplastische Werkstoffe

Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Das Automobil der Zukunft soll möglichst wenig CO2 freisetzen, effizient und automatisiert fahren und von möglichst vielen Menschen genutzt werden können. Das stellt an Kunststoffe und deren Verarbeitungsverfahren unterschiedliche Anforderungen. Sie reichen vom Leichtbau für Karosserie und Antriebsstrang über einen angenehmen Innenraum bis hin zu Beleuchtung oder Sensorik.

Der neue vollelektrische Audi e-tron besitzt einen fast komplett verschlossenen Unterboden aus leichtem LWRT-Werkstoff (Low Weight Reinforced Thermoplastics), der dadurch den elektrischen Verbrauch reduziert

E-Mobilität, autonomes Fahren, Carsharing und die Folgen für die Kunststoffbranche

Polybutylenterephthalat

Leichtbau

Polyamide

Polyethylenterephthalat

Technische Kunststoffe

Alles auf Elektro?

Der Klima- und Verkehrswende kommen ausgeklügelte Faserverbundlösungen zugute. Für Marine, Infrastruktur und Schienenfahrzeugbau konkurrieren vielfältige Brandschutzkonzepte. Die Branche widmet dem Recycling größere Aufmerksamkeit.

Das erste naturfaserverstärkte Satellitenpaneel ermöglicht eine sichere Weltraumerkundung und verglüht beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vollständig

Faserverbundkunststoffe beleben das Transport- und Bauwesen

Faserverarbeitung

Composites setzen Trends im Leichtbau

Die Digitalisierung bietet die Möglichkeiten größere Stückzahlen zu niedrigeren Kosten zu fertigen und lässt sich auf die Produktion von Faserverbundbauteilen gut anwenden.

Der automatisierte Kitting-Prozess integriert die Produktionsschritte Nesting, Schneiden, Etikettierung und Kitting in eine einzelne Fertigungszelle

Digitalisierung senkt Kosten und Materialverschnitt und steigert die Effizienz

Automatisiert zu Faserverbundbauteilen

Leichtbau ist eine Möglichkeit, den CO2 -Ausstoß etwa von Fahrzeugen zu reduzieren. Auch bei den eingesetzten Materialien lässt sich der CO2 -Verbrauch durch den Einsatz von Biokunststoffen verringern. Die Entwicklung eines biobasierten duroplastischen Materials zeigt, dass sich Biokunststoffe für die Herstellung von SMC-Halbzeugen eignen.

Als Demonstrator wurde ein Heckspoiler gefertigt. Die Herstellung des Bauteils zeigte, dass das teilweise biobasierte Halbzeug sehr gute Fließeigenschaften aufweist. Auch das Füllen komplexer verrippter Strukturen ist unter konventionellen Verarbeitungsparametern möglich

Duroplast mit geringerer Dichte auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanend

Biokunststoffe

Halbzeuge und Zwischenprodukte spanlos

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Leichter mit Biokunststoff

Mit der Einrichtung auf dem Gelände des Automotive Center Europe (AMCEU) in Neufahrn bei München will die Toray Resins Europe GmbH neue Entwicklungen bei technischen Hochleistungskunststoffen vorantreiben.

Das neue Resins Technical Center ist Teil des Toray-Automotive Center Europe bei München. In der Einrichtung forscht Toray an Kunststofflösungen, die besonders den Anforderungen der E-Mobilität Rechnung tragen

Toray eröffnet Resins Technical Center bei München

Endlosfaserverstärkte Thermoplast-Composites etablieren sich auch bei dünnwandigen Gehäusen. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, helfen das Gewicht zu senken und ermöglichen ein edles Design und Funktionsintegration. Werden die Gehäuse im Hybrid-Molding-Verfahren gefertigt, lassen sich außerdem Kosten, Verarbeitungsschritte und Zykluszeiten reduzieren

Das Smartphone Carbon 1 Mark II von Carbon Mobile wurde in Deutschland entwickelt.  Die mattschwarzen Carbonfasern verleihen dem Smartphone einen edlen Hightech-Look

Composites senken das Gewicht und erleichtern die Produktion von Elektronikgehäusen

Kunststofffasern

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Leichtbau für die Hosentasche

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

Greifer

Handling, Handhabungstechnik

Inspektionssysteme

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Industrieroboter

Montagetechnik

Verstärkung im Anflug

Das Batteriesystem ist eine der schwersten Komponenten im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs. Durch den bedarfs- und funktionsgerechten Einsatz von Leichtbaumaterialien und großserienfähigen Fertigungsprozessen besteht großes Leichtbaupotenzial.

Leichtbau-Batteriemodul mit Lithium-Ionen-Batteriezellen im Pouch-Zellformat und SMC-Modul-Endplatten.

Traktionsbatteriesystem in Leichtbauweise für die Elektromobilität

Elektromobilität

Mobilität

Polyurethan

Energiespeichersysteme

Leichtbau für Schwergewichte

Die Preisträger zeigen jedes Jahr aufs Neue, welche Möglichkeiten Composites bieten. Am Ende sind es oft nur Nuancen, die beim Votum der Jury entscheiden.

Die Preisverleihung am Abend des 29. November 2022 führte die glücklichen Preisträger in Augsburg zusammen.

AVK ehrt herausragende Composite-Innovationen

Am 29. November 2022 hat die AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe ihre Innovatonspreise verliehen. Wir zeigen Ihnen die herausragenden Ideen in Bildern.

AVK Innovationspreise 2022

Die erforderliche Spitzentemperatur für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist im Vergleich zu aktuellen Verbrennungsmotoren von derzeit 135 auf 110 °C gesunken. Gleichzeitig haben sich aber die Betriebszeiten verneunfacht. Das hat Auswirkungen auf die Materialauswahl.

Bild 1. Im Vergleich zu dem PPA Grivory HT1VA-4 HY nimmt selbst hydrolysestabilisiertes PA66 deutlich mehr und schneller Wasser auf (Ergebnisse gemessen an Platten von 100 mm x 100 mm x 3 mm nach ISO 62 bei 23 °C).

Vergleich von PA66 und PPA für Elektrofahrzeuge

Elektromotoren

Antriebe

Mehr Leistung im Wasser

Die auf einer neuartigen PA 66-Technologie basierenden Mobius™-Polymere eröffnen für die LFT-D Verarbeitung speziell für Batteriedeckel und -gehäuse neue Möglichkeiten

Spritzgießen (KU)

Kunststoffverarbeitung

Blasformen

Extrudieren (KU)

INVISTA MOBIUS NPD555 FR erfolgreich in Thermal Runaway Tests

Die Kosten von Hochleistungskunststoffen durch Blends und Verfahren senken

Ihre hohen Rohstoffkosten verhindern bisher in vielen Bereichen den Einsatz von Hochleistungspolymeren. Um eine breitere Verwendung zu ermöglichen, sind deshalb Ideen gefragt, die den Preis senken ohne zu einer deutlichen Verschlechterung der Eigenschaften zu führen. Erreichen lässt sich das etwa durch Blenden mit kostengünstigeren Polymeren und speziell angepassten Produktionsverfahren.

Thermoplastische Hochleistungspolymere vereinen sehr gute technische Eigenschaften mit einem geringen Gewicht. Sie können im Kontakt mit Chemikalien, bei hoher mechanischer Belastung und unter verschiedenen äußeren Einflüssen wie hohen und sehr niedrigen Temperaturen verwendet werden [1]. Deshalb kommen diese Werkstoffe insbesondere in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zum Einsatz. Die Dauergebrauchstemperaturen liegen in der Regel zwischen 150 und 260 °C [2]. Zudem eignen sich thermoplastische Hochleistungspolymere sehr gut für die Herstellung von Filamentgarnen, wobei typische Werkstoffe für Garne Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetherimid (PEI) sind.

Schmelzspinnanlagen mit Betriebstemperaturen bis 400 °C werden für die Herstellung von Filamentgarn aus Hochleistungspolymeren benötigt. Das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen ist eine der wenigen Forschungseinrichtungen, die über die notwendige Anlagentechnik im Pilotmaßstab verfügt. Für Forschungsprojekte konnten deshalb bereits erfolgreich Filamentgarne und textile Flächen aus z. B. PEEK hergestellt werden (Titelbild).

Neben dem Ausspinnen der Einzelpolymere wird am ITA an Garnen aus Blends geforscht. Ziel ist die Herstellung von hochtemperaturbeständigem Filamentgarn und Garn mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Senkung der bei Hochleistungspolymeren üblichen Rohstoffkosten. Durch Mischung von Polymeren können Eigenschaften erreicht werden, die keines der Ausgangsmaterialien alleine besitzt. Häufig kann ein Teil des teuren Werkstoffs durch ein günstigeres Material ersetzt werden, ohne große Eigenschaftsverluste zu riskieren.

Für die Herstellung der Blends werden am ITA Mischungen aus teuren, hochtemperaturbeständigen Werkstoffen wie PEEK, PEI und Polyethersulfon (PESU) und günstigeren technischen Thermoplasten etwa Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT) untersucht. Die zu erwartende sehr gute Mischbarkeit von PEEK+PEI- und PEI+PET-Blends konnte für die direkte Filamentextrusion auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder und damit für das Schmelzspinnverfahren generell nachgewiesen werden. Zudem wurde Filamentgarn aus beiden Mischungen erfolgreich ausgesponnen.

Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, bei einer gleichwertigen Mischung der Materialien PEEK und PEI kann der Preis gegenüber einem reinen PEEK deutlich gesenkt werden, da PEEK bis zu sechsmal teurer ist als PEI. Zudem führt die Mischung zu einer thermischen Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften. Es wird bei den Blends nur 20 % der Steifigkeit eingebüßt im Vergleich zu reinem PEEK. Die Materialkosten können durch Zumischen von 50 % PET noch einmal deutlich gesenkt werden, wenn die mechanischen und thermischen Eigenschaften von reinem PEI nicht in voller Höhe notwendig sind. Weitere Eigenschaften des PET, wie die sehr gute Verschleißfestigkeit, können synergetisch mit Eigenschaften des PEI, beispielsweise dem guten Brandverhalten, kombiniert werden.

Hochleistungskunststoffe eignen sich nicht nur für sehr leistungsfähige Garne, sondern auch für den Einsatz als Matrixwerkstoffe für Faserverbundkunststoffe (FVK). FVK bestehen aus Fasern und Matrix. Die Fasern nehmen dabei die auf den Verbundwerkstoff wirkenden Zugkräfte auf und verstärken dadurch das Bauteil. Typischerweise werden Carbon-, Glas- und Aramidfasern als Verstärkungsfasern verwendet [4]. Die Matrix dient dazu, die Verstärkungsfasern vor äußeren Einflüssen zu schützen und diese in Form zu halten. Normalerweise kommen dafür duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz. Die Matrix leitet Kräfte in die Fasern ein [4, 5].

Thermoplastische FVK (TP-FVK) zeichnen sich durch vorteilhafte Prozesskosten aufgrund geringer Taktzeiten in der Bauteilherstellung aus. Die große Auswahl an Werkstoffen macht TP-FVK für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie besonders interessant [5]. In beiden Branchen werden dafür Hochleistungspolymere mit FST-Konformität (engl. für „fire, smoke, toxictiy“) benötigt. Diese Thermoplaste wie PEI weisen jedoch eine sehr hohe Schmelzviskosität auf, wodurch die Verarbeitung teuer und aufwendig ist. Zusätzlich fallen bei der Verarbeitung von gewebebasierten Organoblechen bei der Bauteilherstellung 30 bis 50 % Materialverschnitt teurer Halbzeuge an [6, 7, 8].

Am ITA wurden deshalb verschnittarme und lastpfadgerechte Strukturbauteile mit PEI-Matrix entwickelt, die zugleich wirtschaftlich herstellbar sind. Als Demonstratorbauteil wurde ein generisches Bauteil einer Flugzeugsitzstruktur ausgewählt. Dabei bestehen die Sitzstrukturen aus Hochleistungsbauteilen, die verschiedene FST-Tests durchlaufen und Kräfte bis zu 16 G aushalten müssen. Am ITA wurden für die Herstellung des Sitzstrukturbauteils vorimprägnierte Carbonfasern, sogenannte Hybridgarne, verwendet. Sie werden mittels Tailored Fibre Placement (TFP) zu einem Preform verarbeitet und anschließend zu einem FVK-Bauteil konsolidiert.

Die Hybridgarne werden über einen kombinierten Spreiz- und Lufttexturierprozess hergestellt. Mechanische Spreizstangen helfen dabei, die Schlichte auf den Carbonfasern aufzubrechen und eine vereinfachte Durchmischung der einzelnen Carbonfilamente mit Thermoplastfilamenten zu ermöglichen. Für das Lufttexturieren kommt eine Prallplattendüse zum Einsatz. Die so hergestellten Hybridgarne werden im Anschluss mittels TFP materialeffizient zu einem Preform verarbeitet (Bild 1). Das TFP-Verfahren entstammt der technischen Stickerei. Dabei können Verstärkungsfasern bzw. Hybridgarne endkonturnah und entlang der Belastungsrichtungen im Bauteil ausgerichtet und abgelegt werden. Die hergestellten Preforms und Bauteile sind dadurch frei von Material- und Faserverschnitt.

Geringerer Verschnitt, höhere  Fasereffizienz

Die folgende Konsolidierung der Bauteile findet in einem zweiteiligen Presswerkzeug statt, das auf 400 °C erhitzt werden muss (Bild 1). Nach dem Einlegen des Preforms werden die Werkzeughälften geschlossen und der Pressvorgang gestartet, welcher ca. 3 min dauert. Anschließend wird das Werkzeug mittels Frischwasserkühlung gekühlt, sodass die Entnahme des konsolidierten Bauteils bei ca. 50 °C stattfinden kann. Der gesamte Konsolidierungszyklus inklusive Aufheiz- und Kühlzyklus dauert insgesamt etwa 50 min. Für das TFP-Stickverfahren müssen verschiedene Materialien für das Stickgarn oder -vlies ausgewählt werden, die mit dem Matrixwerkstoff kompatibel sind. Am ITA wurde insbesondere untersucht, welchen Einfluss der Rovingabstand im Preform auf die Fließwege und spätere Bauteilperformance hat.

Durch diese Entwicklungen lassen sich technische und ökonomische Parameter in der Herstellung von TP-FVK aus Hochtemperaturthermoplasten gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessern. Die Gesamtwertigkeit – eine Kombination aus technischer und wirtschaftlicher Wertigkeit – der Bauteile mit dem entwickelten Spreizluftmischhybridgarn ist um 15 % höher als die der Referenzmaterialen (Tabelle) [8]. Außerdem ergibt sich eine Verschnittreduktion und somit eine höhere Fasereffizienz. In Bezug auf die Performance, Flexibilität und Verarbeitung ist der entwickelte Hybridgarnansatz deutlich Organoblechbauteilen überlegen. Aufgrund der teuren Rohstoffe und der noch langsameren Prozessgeschwindigkeit können Organoblechbauteile derzeit jedoch wirtschaftlich noch etwas günstiger hergestellt werden.

Thermoplastische Hochleistungspolymere werden bei Garnen und Faserverbundbauteilen bereits gewinnbringend für Anwendungen in der Luftfahrt und dem Automobil eingesetzt. Der große Vorteil dieser Kunststoffe besteht in der Kombination von sehr guten technischen Eigen- schaften bei gleichzeitig geringem Gewicht. Eine Herausforderung stellt jedoch ihr hoher Preis dar. Forschungsarbeiten des ITA zeigen in diesem Zusammenhang, dass bei Garnen eine Kostenreduktion durch ein Mischen mit technischen Kunststoffen möglich ist. Im Faserverbundbauteil können Kosten durch den Einsatz von Hybridgarnen und neuartigen Produktionsverfahren wie TFP eingespart werden. Dadurch ist zukünftig ein breiterer Einsatz dieser Polymere möglich.

[1] Dominghaus, H.: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 6. Auflage, Springer-Verlage, Heidelberg, 2005

[2] Bonnet M.: Aufbau und Eigenschaften von Kunststoffen – Kunststofftechnik,

2. Auflage, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2014

[3] Lunow, T.; Weinmann, A.: Hochleistungspolymere in thermisch und mechanisch hochbelasteten Anwendungen. Lightweight Des 2, 2009

<a href="https://doi.org/10.1007/BF03223565">https://doi.org/10.1007/BF03223565</a>

[4] Cherif, C. (Hrsg.): Textile Werkstoffe für den Leichtbau : Techniken, Verfahren, Materialien, Eigenschaften; Berlin ; Heidelberg: Springer, 2011

[5] Neitzel, M.; Mitschang, P; Breuer, U., Handbuch Verbundwerkstoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung, 2. Aufl. – München: Hanser, 2014

[6] Lässig R., Eisenhut M.; Mathias, A.; Schulte R. T., Peters, F.; Kühmann, T.; Waldmann, T.; Begemann, W.:

Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen: Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau München; Frankfurt a.M.: Roland Berger Strategy Consultants; VDMA, 2012

[7] Deinzer, G.; Diebold, F.: Faserverbundkunststoffe im neuen Audi R8 : von der Differential- zur Integral-Bauweise, In: Reden, T. v. (Hrsg.): MAI Carbon. Augsburg: MAI Carbon Cluster Management GmbH, 2016

[8] Schwab, M.: Systematische Technologiekettengestaltung für endkonturnahe Strukturbauteile mittels Tailored Fibre Placement; Aachen: Shaker, 2021 ; Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2020

RWTH-Aachen Inst. f. Textiltechnik (ITA) 

https://www.ita.rwth-aachen.de

Ausgabenartikel KU10-21

Hochleistungspolymere wie PEEK lassen sich ausspinnen (links) und anschließend zu Garnen und Textilien (rechts) verarbeiten. Durch Blenden mit technischen Kunststoffen ist dabei eine deutliche Kostenreduktion möglich

Tabelle. Berechnung der technischen und wirtschaftlichen Wertigkeit der Hybridgarn-TFP-Bauteile im Vergleich zu Organoblechen

Bild 1. Bei der Herstellung der Composite-Bauteile werden Hybridgarne aus Carbonfasern und  PEI mittels Tailored Fibre Placement abgelegt (links). Anschließend erfolgt das Heißpressen der Preforms im Presswerkzeug (rechts)

KU 10-21_ITA_Gries - Hauptartikel

Dr.-Ing. Max Schwab ist Key Account und Industry Project Manager for Composite Production am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen; <a href="mailto:max.schwab@ita.rwth-aachen.de">max.schwab@ita.rwth-aachen.de</a>

Dr.-Ing. Lukasz Debicki ist Bereichsleiter Multi Filament Technology am ITA; <a href="mailto:lukasz.debicki@ita.rwth-aachen.de">lukasz.debicki@ita.rwth-aachen.de</a>

Melina Sachtleben, M. Sc., ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Multi Filament Technology am ITA; <a href="mailto:melina.sachtleben@ita.rwth-aachen.de">melina.sachtleben@ita.rwth-aachen.de</a>

Tobias Schlüter ist ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter des ITA.

Prof. Thomas Gries leitet das ITA; <a href="mailto:thomas.gries@ita.rwth-aachen.de">thomas.gries@ita.rwth-aachen.de</a>